Братья меньшие планет: астероиды

В 1596 году Иоганн Кеплер заметил, что вычисленные Коперником средние радиусы планетных орбит от Меркурия до Сатурна относятся как 0,38:0,72:1,00:1,52:5,2:9,2. Брешь между Марсом и Юпитером показалась Кеплеру слишком широкой, и он предположил, что там находится еще одна планета. Эта гипотеза подтвердилась в новогоднюю ночь 1801 года, когда директор Палермской обсерватории Джузеппе Пиацци углядел в созвездии Тельца тусклую звездочку, смещавшуюся по отношению к соседним светилам. Он принял ее за комету, но вскоре усомнился в этом. Немецкий астроном Иоганн Боде, с которым Пиацци поделился своими наблюдениями, счел это тело новой планетой, о чем и объявил в ежемесячном журнале, издававшемся директором Готской обсерватории бароном Францем фон Захом. Боде и Зах и раньше были уверены, что пространство между Марсом и Юпитером скрывает неизвестную планету; более того, в сентябре 1800 года Зах убедил нескольких германских астрономов принять участие в ее коллективном поиске. Позднее к этой группе (называвшей себя «небесной полицией») присоединились и другие ученые, в том числе и Пиацци.

Пиацци не успел собрать достаточно данных, чтобы вычислить орбиту предполагаемой планеты, которая к осени 1801 года покинула европейский небосвод. Тем не менее заметка Боде побудила великого математика Карла Фридриха Гаусса начать работу над методом вычислений, требовавшим меньше наблюдательных данных, нежели общепринятые расчеты. Он послал свои результаты фон Заху, который с их помощью вновь обнаружил беглянку 1 января 1802 года, ровно через год после Пиацци. В ту же ночь ее наблюдал другой участник «небесной полиции» Генрих Ольберс. По желанию Пиацци новое небесное тело назвали именем римской богини плодородия Цереры, которая считалась покровительницей Сицилии.

Ольберс продолжал наблюдать за Церерой и 28 марта 1802 года заметил по соседству другую движущуюся точку. Она получила имя Паллады, греческой богини мудрости. Когда Гаусс вычислил элементы ее орбиты, стало очевидным, что Ольберсу фантастически повезло. Паллада обращается вокруг Солнца практически за такое же время, что и Церера (4,6 земного года), но ее траектория наклонена к плоскости эклиптики на 34 градуса. Не окажись она во время наблюдений Ольберса вблизи Цереры, ее смогли бы обнаружить лишь спустя несколько десятилетий. В течение пяти лет было открыто еще два подобных небесных тела. Но после этого «небесная полиция» распалась. Ольберс держался дольше других, но и он в 1816 году оставил охоту за астероидами. Она возобновилась только в середине XIX века, когда первооткрывателей уже не было в живых.

В письме к Уильяму Гершелю он предположил, что Церера и Паллада — осколки планеты, погибшей от взрыва или от столкновения с кометой. Отсюда следовало, что между Марсом и Юпитером найдутся и другие солнечные спутники. Гершель предложил именовать их астероидами, что в переводе с древнегреческого означает «подобные звездам» (он имел в виду, что эти тела сильно уступают планетам в яркости и потому их трудно отличить от большинства звезд). Этот неологизм вошел в язык астрономии. Гипотеза Ольберса предсказывала существование новых астероидов, поэтому Небесная Полиция продолжала поиски. Участники этого коллективного исследовательского проекта (кстати, первого в истории астрономии) обнаружили еще два астероида, которые тоже получили имена римских богинь. 1 сентября 1804 года Карл Гардинг открыл Юнону, а 29 марта 1807 года Ольберс отловил Весту. Право выбрать имя четвертого астероида предоставили Гауссу, вычислившему его орбиту всего за несколько часов (в такой срок непросто уложиться даже с помощью современного калькулятора!).

Охотничий сезон

В 1830 году математик и астроном Фридрих Вильгельм Бессель обратился к немецким обсерваториям с призывом приступить к картированию небосвода с целью поиска астероидов. Кое-что в этом направлении было сделано, но первая находка досталась не профессионалу, а любителю, почтмейстеру Карлу Хенке. 8 декабря 1845 года, после 15 лет бесплодных наблюдений, он открыл пятый астероид, Астрею. В 1847 году тот же Хенке угля­дел астероид № 6 — Гебу, а вскоре молодой английский астроном Джон Рассел Хинд обнаружил астероиды Ирис и Флору. После этого поиск малых планет быстро набрал обороты. Первый американский охотник за этими телами Христиан Петерс с 1861 по 1889 год открыл 48 астероидов, а немецкий астроном Карл Лютер — 24. К 1890 году в астрономические каталоги было внесено порядка трехсот обитателей пространства между Марсом и Юпитером.

А потом наступила новая эра. Приват-доцент Гейдель­берг­ского университета Максимилиан Вольф первым в мире воспользовался фотосъемкой для поиска малых планет. В декабре 1891 года он обнаружил свой первый астероид, а в следующем году — уже 13. В 1902 году Вольф возглавил новую университетскую обсерваторию и превратил ее в мировой центр «малой планетологии». Его младший коллега Карл Рейнмут с 1912 по 1957 год открыл 389 астероидов, и этот рекорд никто не смог побить.

В период меж двух мировых войн поиск астероидов был чрезвычайно интенсивным, и за одни 1930-е годы принес без малого четыре сотни открытий. Потом он затормозился - надолго, лет на тридцать. Его возрождению способствовало оснащение телескопов полупроводниковыми фотометрами и другими электронными приборами и появление мощных компьютеров, способных быстро вычислять астероидные орбиты. В последнее время для исследования малых планет используют наземные телескопы-роботы, орбитальные обсерватории и дальние космические зонды.

Сведения о строении астероидов основаны на результатах спектрального анализа отраженного ими солнечного света, скорректированных по геохимическим данным о составе метеоритов (поскольку астероиды — их основной источник). По этому критерию их подразделяют на три основных класса: С (тела с высоким содержанием углерода), S (силикаты с примесью металлов) и M (по большей части железо-никелевые астероиды). На долю класса С приходится три четверти астероидов главного пояса, класса S — 17%. Однако есть и более детальные классификации с куда большим числом групп. Все без исключения астероиды вращаются, причем их оси ориентированы в пространстве вполне случайно. Обычно длительность астероидных суток составляет от 6 до 13 часов, однако есть и исключения. Так, крошечный (примерно 30 метров в поперечнике) астероид 1998 KY26 совершает полный оборот за 10 минут 42 секунды. Скорее всего, столь высокую угловую скорость он набрал в результате множественных стычек с ближайшими родственниками.

Главный пояс

Орбиты почти всех астероидов лежат в пределах кольца, внутренний радиус которого равен двум астрономическим единицам, а внешний — трем с половиной (строго говоря, это не кольцо, а бублик, поскольку пути множества астероидов выходят за плоскость эклиптики). Эту зону называют главным поясом астероидов. В нем содержится около двухсот малых планет, средние диаметры которых больше 100 км. По приблизительным оценкам, астероидов размером не менее километра там 1−2 млн. И при этом общая масса обитателей главного пояса примерно в 25 раз меньше массы Луны!

Пространственное распределение траекторий астероидов в главном поясе отнюдь не равномерно. Во-первых, там есть щели, открытые в 1860-х годах профессором Университета Индианы Дэниелом Кирквудом. На основании исследования траекторий 97 астероидов Кирквуд выяснил, что эти тела избегают орбит с периодами, соизмеримыми с периодом Юпитера (например, если эти периоды относятся как 1:3). Кирквуд понял и причину: такие тела периодически сближаются с Юпитером на одном и том же участке своей траектории и в результате под действием его тяготения сбиваются с прежней траектории (этот эффект, отмеченный Лапласом в начале XIX века на примере спутников Юпитера, называется орбитальным резонансом). В главном поясе есть щели Кирквуда (в русскоязычной литературе их также называют люками) и с другими резонансами — 1:2, 2:5, 3:5, 3:7. Во-вторых, не менее трети тамошних астероидов группируются по семействам с близкими орбитальными элементами (такими как длина большой полуоси, эксцентриситет и наклонение орбиты к плоскости эклиптики). Первые из таких семейств без малого сто лет назад выделил профессор Токийского университета Киёцугу Хираяма. Хираяма счел, что каждое семейство состоит из осколков более крупного астероида, распавшегося из-за столкновения с телом меньшего размера, и эта интерпретация до сих пор считается самой правдоподобной.